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推动火箭的齐式方程

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作者:科普中国来源:科普中国

1903年,俄国科学家齐奥尔科夫斯基同志提出了其一生中最伟大的物理模型:齐奥尔科夫斯基火箭方程。这一理论的横空出世,为近代火箭、导弹的工程实现提供了理论依据。齐奥尔科夫斯基因此被举世公认为真正开拓宇宙航行理论的先驱者,甚至可以认为,没有齐氏方程,就遑论航天二字。

齐奥尔科夫斯基方程纪念邮票


“齐奥尔科夫斯基方程”是航天器发射的基本方程。齐奥尔科夫斯基火箭方程的核心内容是:基于动量守恒原理,任何一个装置,通过一个消耗自身质量的反方向推进系统,可以在原有运行速度上,产生并获得加速度。通过公式可以表达为:v = u ln(mi/mf) 其中:“V”表示火箭运动的速度;“u”表示火箭燃料的燃烧产物从喷气管喷出的速度;“mi”表示火箭起飞前的原始质量;“mf”表示燃料与氧化剂燃烧完之后的火箭最终质量。


这一公式表明,在外层空间,火箭的飞行速度是由发动机喷气管喷出气流的速度以及火箭的起始质量与发动机最终停止工作后火箭的质量比所决定的。


齐奥尔科夫斯基方程的建立经历了漫长的过程,受凡尔纳科幻小说的强烈吸引和喜好幻想的品质,他对升空飞行和太空旅行具有浓厚的兴趣。在航空领域,他设计制造了俄罗斯第一台风洞,最早提出了硬式飞艇思想。在航天飞行领域,齐奥尔科夫斯基一直在进行着研究和思索。


大约在1878-1879年,为了研究生物在飞行环境中的反应问题,他设计了一种研究加速度对生物体影响的装置。1883年,他在一篇名为《自由空间》的手稿中,首次指出利用反作用装置作为外太空旅行工具的推进动力的可能性。1896年,他开始从理论上研究星际航行的有关问题,进一步明确了只有火箭才能达到这个目的。1897年,齐奥尔科夫斯基推导出了著名的火箭运动方程式。他经过几年潜心研究,于1898年完成了航天学经典论文《利用喷气工具研究宇宙空间》。

齐奥尔科夫斯基


《利用喷气工具研究宇宙空间》内容涉及到与火箭和航天飞行有关的各个方面问题。首先,作为科学研究和探测工具,齐奥尔科夫斯基分析了现有运输装置的不足。接着齐奥尔科夫斯基运用变质量运动理论,推导出了齐奥尔科夫斯基方程,他认为:决定火箭喷出气流速度快慢的是火箭燃料燃烧的性质,燃烧后释放热量大的推进剂喷出的速度就大;而液体燃料的发热量要比固体燃料(火药)大,因此从流体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度大。


因此,他在人类科学史上首次提出了采用液体燃烧为火箭发动机的思想,并在他的这篇论文中绘出了世界上第一枚液体动力火箭的构造图,从而为火箭的设计与发展开辟了一条崭新的道路。在这个公式的基础上,他又推导出了火箭要克服地球引力所要具备的最小速度,即第一宇宙速度为每秒8公里。


接着,他又于1910年,1911年,1912年,1914年在《航空报告》上发表了多篇火箭理论和太空飞行的论文,较系统地建立起了航天学理论基础。


根据他发明的方程,齐奥尔科夫斯基设计出的火箭外形犹如一支雪茄烟,因为这样的外形可以使火箭飞行时所受到的阻力最小。在火箭的前仓是宇航员的控制室;火箭的后仓则被分为两个相互隔离的储藏室,储藏室中分别放置液态氢作为燃料与液态氧作助燃剂,这两种物质在烧室内混合后就会燃烧起来,燃气从喇叭形的喷气管内高速喷出。为了更好地控制火箭的飞行方向,齐奥尔科夫斯基还在论文中提出了在星际空间高速航行的火箭操纵问题。他设想在火箭喷气管的出口处安装石墨舵,利用石墨舵在燃气流中的转动所引起燃气流的偏转来改变火箭的运动方向。

1929年齐奥尔科夫斯基提出多级火箭理论


从齐奥尔科夫斯基的这些设计中,我们可以看出虽然他的喷气式火箭设计还相当原始,考虑也不够周全,但这确实是现代火箭的雏形。在此之后,齐奥尔科夫斯基在火箭设计及宇宙航行领域中继续深入研究。齐奥尔科夫斯基以为,必须设法提高火箭的原始质量与发动机终止工作后的最终质量之比,才能用现有的液体燃料使火箭达到应有的速度,但是实上,单级火箭增加质量比的可能性并不大,针对这个问题,齐奥尔科夫斯基在1929 年发表的《火箭列车》的论文中,首次提出了多级火箭的新颖构想。这样就大大增加了火箭的质量比,使人类可以利用已经掌握的液体燃料实现飞往星际空间的美好愿望。在这篇论文中,齐奥尔科夫斯基提出了两种多级火箭的方案。


齐奥尔科夫斯基对于多级火箭设计原理探讨,是火箭技术研究过程中的一个巨大飞跃,火箭运动理论大致有了一个完整的框架后,齐奥尔科夫斯基又对星际航行问题进行了研究和展望。他设计并画出了载人宇宙飞船的草图,研究了载人宇宙飞行的种种问题,包括载人飞船内如何保持适宜的温度、压力、湿度等条件,飞船内空气和水的净化和重复使用问题,二氧化碳的吸收问题,利用绿色植物提供氧气的问题,以及宇航员如何克服起飞时的高过载问题等等。

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齐奥尔科夫斯基为航天事业贡献了毕生精力,除了发明了火箭航天的基本方程,他最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性,指出发展宇航和制造火箭的合理途径,找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案,同时他也是位多产的科学家,一生发表了580篇科学论文和科学幻想作品,这些著作是他在科学领域辛勤耕耘的见证,也是航天史的宝贵遗产。


1911年8月12日,齐奥尔科夫斯基曾写下了这样一段名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。它首先小心地探索大气层的边缘,然后将把控制和干预能力扩展到整个太阳系。”


文章分类: 物理视野